Release Final

На чертеже изображен управляемый транспарант с использованием эффекта вращения плоскости поляризации света, работающий на отражение. Он состоит из двух стеклянных пластин 1 и 10, на внутренние стороны которых нанесены прозрачные электроды 2 из двуокиси олова. К ним прикладывается управляющее электрическое напряжение U между прозрачными электродами 2 последовательно относительно луча записи помещены слой фотопроводника 3, слой 4 жидкого кристалла обратной связи, полупрозрачное диэлектрическое зеркало 6, первый поляроид 7 и модулирующий слой 8 жидкого кристалла. На последнем осуществляется запись информации. Толщины слоев 4и 8 жидкого кристалла одинаковы и задаются с помощью диэлектрических прокладок 5 и 9 соответственно. На внешнюю сторону стеклянной пластины 10 нанесен второй поляроид 11, повернутый относительно но первого на 90. Интенсивность луча обратной связи определяется коэффициентом пропускания полупрозрачного диэлектрического зеркала 6.

Устройство работает следующим образом. При отсутствии луча записи считывающий луч, прошедший через второй поляроид и модулирующий слой жидкого кристалла без поворота плоскости поляризации света, не проходит через первый поляроид. Поэтому лучи обратной связи и считывания на выходе транспаранта отсутствуют. При наличии луча записи модулирующий слой жидкого кристалла, в котором осуществляется запись информации, в результате переориентации молекул из гомеотропного в гомогенное положение поворачивает плоскость поляризации луча считывания на угол с. Составляющая этого луча, плоскость поляризации которой повернута на угол 90 по отношению к лучу считывания на входе транспаранта, проходит через второй поляроид к полупрозрачному диэлектрическому зеркалу. Большая часть интенсивности луча отражается от зеркала и проходит через этот же поляроид и модулирующий слой жидкого кристалла. При этом плоскость поляризации его при прохождении в обратном направлении будет повернута слоем жидкого кристалла на определенный угол по отношению к плоскости поля

(205) (206) Оптичні комп'ютери. Принципи роботи оптичних логічних елементів на основі бі-стабільних структур. Конструкція і принцип роботи оптичного RS-тригера

Что такое триггер:

Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания

двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

систем: регистров, счётчиков,процессоров, ОЗУ.

RS-триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set – установить англ.) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние. Вход R (Reset – сбросить англ.) позволяет сбрасывать выход триггера Q (Quit – выход англ.) в нулевое состояние.

Посмотрим, как работает RS-триггер. Для правильной работы такого триггера на оба его входа необходимо подать сигналы логической единицы. Перевод триггера из одного устойчивого состояния в другое производится путем кратковременной подачи на один из входов нулевого сигнала. При подаче нуля на вход S (Set) триггер переходит в единичное состояние. При подаче сигнала на вход R (Reset) триггер сбрасывается в ноль.

Одновременная подача двух нулей на оба входа триггера недопустима, так как в этом случае работа триггера непредсказуема. В промежутке между сигналами, когда на обоих входах единица, триггер сохраняет ранее установленное состояние.

Если на обоих входах присутствует единица, установленное состояние триггера сохраняется все время, пока на схему подано напряжение питания. Таким образом, триггер можно использовать для хранения информации. При выключении питания информация теряется. Если питание было выключено, то в момент включения питания (до прихода первых входных импульсов) триггер устанавливается в случайное положение. Если точнее, то это положение зависит от того, какой из элементов триггера оказался более быстродействующим.

Для реализации RS-триггера воспользуемся логическими элементами “2И-НЕ”. Его принципиальная схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема простейшего триггера на схемах "И". Входы R и S инверсные (активный уровень'0').

Рассмотрим работу изображенной на рисунке 2 схемы подробнее. Пусть на входы R и S подаются единичные потенциалы. Если на выходе верхнего логического элемента “2ИНЕ” Q присутствует логический ноль, то на выходе нижнего логического элемента “2И-НЕ” появится логическая единица. Эта единица подтвердит логический ноль на выходе Q. Если на выходе верхнего логического элемента “2И-НЕ” Q первоначально присутствует логическая единица, то на выходе нижнего логического элемента “2И-НЕ” появится логический ноль. Этот ноль подтвердит логическую единицу на выходе Q. То есть при единичных входных уровнях схема RS-триггера работает точно так же как и схема на инверторах.

Подадим на вход S нулевой потенциал. Согласно таблице истинности логического элемента “И-НЕ” на выходе Q появится единичный потенциал. Это приведёт к появлению на инверсном выходе триггера нулевого потенциала. Теперь, даже если снять нулевой потенциал с входа S, на выходе триггера останется единичный потенциал. То есть мы записали в триггер логическую единицу.

Точно так же можно записать в триггер и логический ноль. Для этого следует воспользоваться входом R. Так как активный уровень на входах оказался нулевым, то эти входы - инверсные. Составим таблицу истинности RS-триггера. Входы R и S в этой таблице будем использовать прямые, то есть запись нуля, и запись единицы будут осуществляться единичными потенциалами (таблица 1).

Таблица 1. Таблица истинности RS-триггера.

Режим хранения информации R=S=0

Режим установки единицы S=1

Режим записи нуля R=1

R=S=1 запрещенная комбинация

RS-триггер можно построить и на логических элементах "ИЛИ". Схема RS-триггера, построенного на логических элементах "ИЛИ" приведена на рисунке 3. Единственное отличие в работе этой схемы будет заключаться в том, что сброс и установка триггера будет производиться единичными логическими уровнями. Эти особенности связаны с принципами работы инверсной логики, которые рассматривались ранее.\

Фича вот в чем: если у нас есть оптические логические элементы, никто не мешает нам собрать триггер на них. Например, на бистабильных элементах.

Что такое бистабильный элемент?

Полный набор полностью оптических логич. устройств для синтеза более сложных блоков О. к. реализуется, напр., на основе пассивных нелинейных резонаторовинтерферометров, в к-рых в результате светоиндуциров. изменения оптич. длины происходит сдвиг пика пропускания (резонанса) относительно длины волны падающего излучения. В зависимости от нач. условий (нач. положения пика пропускания и нач. интенсивности) в пассивном нелинейном резонаторе нелинейный процесс завершается установлением одного

переключения - происходит переход системы из состояния с высокой интенсивностью на выходе ("1") в состояние с низкой интенсивностью на выходе ("0", рис. 1, а)или наоборот (рис. 2, а). Вообще говоря, гистерезис, характерный для оптич. бистабильности, в данном случае не обязателен. Важно лишь обеспечить достаточно большой перепад между высокой и низкой выходными интенсивностями по отношению к изменению входной интенсивности, вызвавшей этот перепад.

Рис. 1. Передаточная характеристика БИ в отраженном пучке (а) и схема с логической функцией "НЕ" (б).

Как построить оптические логические устройства на бистабильных элементах?

Рис. 2. Передаточная характеристика БИ в проходящем пучке (а) и схема устройства с логическими функциями "И", "НЕТ", "ДА" (б).

Элемент "НЕ" (см. Логические схемы)реализуется с использованием отражённого от БИ

соответствует высокой интенсивности отражённого сигнала. Незначит. добавка I1 приводит к резкому уменьшению интенсивности Iотр, а снятие I1 - к восстановлению высокого уровня Iотр. На рис. 2(б) дана схема устройства, представляющего собой по сути оптически программируемый элемент процессора, в к-ром тот или иной вид логич. операции задаётся значением интенсивности подсветки I0. На БИ кроме подсветки подаются ещё два информац. пучка I1 и I2 и на выходе рассматривается интенсивность проходящего пучка. Если интенсивность подсветки выбрана такой, что I0 = Iвкл - 0,5 I1 (рис. 2, а), то наличие сигнала хотя бы в одном из информац. пучков переходит элемент в единичное состояние для проходящего луча (логич. функция "ИЛИ"). При установке I0 Iвкл - 1 > 5 I1 элемент включается лишь при одноврем. подаче сигнала ("1") в обоих информац. каналах (функция

отражённого потока в этой же схеме обеспечиваются также ф-ции "ИЛИ - НЕТ" и "И - НЕТ". Такой набор элементов является достаточным для синтеза более сложных блоков. На рис. 3 даны нек-рые примеры организации взаимодействия между отд. элементами. БИ с гистерезисной зависимостью (рис. 3, а)действует как оптич. триггер с раздельными

инверсными входами и выходами (рис. 3, б).

Рис. 3. Передаточная характеристика (а) и схема триггера с раздельными инверсными входами и выходами (б).

Чтобы получить RS-триггер, один из входных сигналов в схеме рис. 3(б) необходимо инвертировать. (RS-триггер имеет два входа и два устойчивых состояния, к-рые меняются под действием входных сигналов, при этом обязательно попеременно то с одного, то с другого входа.) Инвертирование можно сделать с помощью дополнит. элемента "НЕ" (рис. 4, а). В исходном состоянии интенсивность I2 выбрана чуть ниже порога переключения элемента "НЕ", и уровень сигнала, отражённого в направлении ТПИ1, высок. Его сумма с нач. интенсивностью I1 за счёт регулировки последней соответствует примерно центр. области гистерезисной петли. ТПИ1 находится в состоянии с низким пропусканием (выключен). Манипуляции интенсивностью пучка I2 (R-вход) не могут изменить это состояние. Кратковременное же увеличение интенсивности I1 (S-вход) приводит к включению TПИ1. После этого ближайшим но времени всплеском сигнала I2 триггер опрокидывается в исходное состояние.

Рис. 4. Схемы оптических RS-триггеров.

RS-триггер реализуется также и на основе двух "скрещенных" устройств с ф-циями "НЕ" (рис. 4, б). Введённая в систему жёсткая положит. обратная связь приводит к тому, что первый из элементов устойчиво находится во включённом состоянии, если второй в выключенном, и наоборот. По сравнению с предыдущей эта схема полностью симметрична, но требует более тщательной юстировки.

(207) Оптичні комп'ютери. Використання CCD матриць для оптичної обробки інформації.

основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой

при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов.

До экспонирования обычно подачей определённой комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние.

Далее комбинация напряжений на электродах создаёт потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате

2— микролинза субпикселя;

3— R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;

4— прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;

5— оксид кремния;

6— кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;

7— зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;

8— кремниевая подложка p-типа.

После экспонирования последовательные изменения напряжения на электродах формируют в каждом пикселе и рядом с ним распределение потенциалов, которое приводит к перетеканию заряда в заданном направлении, к выходным элементам матрицы.

Архитектура пикселей у производителей разная.

(208) Оптичні комп'ютери. Архітектура БКБД. багато команд – багато даних

Будь ласка, зважайте, що питання трошки не про те. Шукайте відповіді в 03-3 Архітектура БКБД (15 слайдів).pptx

Самой ранней и наиболее известной является классификация архитектур вычислительных систем, предложенная в 1966 году М. Флинном (Flynn). Классификация базируется на понятии потока, под которым понимается последовательность элементов, команд или данных, обрабатываемая процессором. На основе числа потоков команд и потоков данных Флинн выделяет четыре класса архитектур:

SISD = Single Instruction Single Data

MISD = Multiple Instruction Single Data

SIMD = Single Instruction Multiple Data

MIMD = Multiple Instruction Multiple Data

Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон Неймана.

Для преодоления этого недостатка предлагались и предлагаются архитектуры процессоров, которые называются параллельными. Параллельные процессоры используются в суперкомпьютерах.

Рисунок 1.4 - Классификация Флинна: а - SISD; б - MISD; в - SIMD; г - MIMD

MIMD (англ. Multiple Instruction stream, Multiple Data stream — Множественный поток Команд, Множественный поток Данных,

сокращённоМКМД) — концепция архитектуры компьютера, используемая для достижения параллелизма вычислений. Машины имеют несколько процессоров, которые функционируют асинхронно и независимо. В любой момент, различные процессоры могут выполнять различные команды над различными частями данных. MIMD-архитектуры могут быть использованы в целом ряде областей, таких как системы автоматизированного проектирования / автоматизированное производство, моделирование, а также коммуникатор связей (communication switches). MIMD-машины могут быть либо с общей памятью, либо с распределяемой памятью. Эта классификация основана на том, как MIMD-процессоры получают доступ к памяти. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных.

Обработка разделена на несколько потоков, каждый с собственным аппаратным состоянием процессора, в рамках единственного определённого программным обеспечением процесса или в пределах множественных процессов. Поскольку система имеет несколько потоков, ожидающих выполнения (системные или пользовательские потоки), эта архитектура эффективно использует аппаратные ресурсы.

В MIMD могут возникнуть проблемы взаимной блокировки и состязания за обладание ресурсами, так как потоки, пытаясь получить доступ к ресурсам, могут столкнуться непредсказуемым способом. MIMD требует специального кодирования в операционной системе компьютера, но не требует изменений в прикладных программах, кроме случаев когда программы сами используют множественные потоки (MIMD прозрачен для однопоточных программ под управлением большинства операционных систем, если программы сами не отказываются от управления со стороны ОС). И системное и пользовательское программное обеспечение, возможно, должны использовать программные конструкции, такие как семафоры, чтобы препятствовать тому, чтобы один поток вмешался в другой, в случае если они содержат ссылку на одни и те же данные. Такое действие увеличивает сложность кода, снижает производительность и значительно увеличивают количество необходимого тестирования, хотя обычно не настолько чтобы свести на нет преимущества многопроцессорной обработки.

Подобные конфликты могут возникнуть на аппаратном уровне между процессорами, и должен обычно решаться аппаратными средствами, или с комбинацией программного обеспечения и оборудования.

MIMD (multiple instruction stream / multiple data stream) - множественный поток команд и множественный поток данных. Этот класс предполагает, что в вычислительной системе есть несколько устройств обработки команд, объединенных в единый комплекс и работающих каждое со своим потоком команд и данных. Таким образом, в системе такого рода можно наблюдать реальное распараллеливание. Класс MIMD чрезвычайно широк, поскольку включает в себя всевозможные мультипроцессорные системы: В настоящее время он является чрезвычайно заполненным и возникает потребность в классификации, более избирательно систематизирующее архитектуры, которые попадают в один класс, но совершенно различны по числу процессоров, природе и топологии связи между ними, по способу организации памяти и, конечно же, по технологии программирования. Основная идея такой классификации может состоять, например, в следующем. Считаем, что множественный поток команд может быть обработан двумя способами: либо одним конвейерным устройством обработки, работающем в режиме разделения времени для отдельных потоков, либо каждый поток обрабатывается своим собственным устройством. Первая возможность используется в MIMD компьютерах, которые обычно называют конвейерными или векторными, вторая - в

параллельных компьютерах. В основе векторных компьютеров лежит концепция конвейризации, т.е. явного сегментирования арифметического устройства на отдельные части, каждая из которых выполняет свою подзадачу для пары операндов. В основе параллельного компьютера лежит идея использования для решения одной задачи нескольких процессоров, работающих сообща, причем процессоры могут быть как скалярными, так и векторными.

Технология SIMD исторически стала осваиваться раньше, что и пред-определило широкое распространение SIMD-систем. В настоящее время на-метился устойчивый интерес к архитектурам класса MIMD. MIMD-системы обладают большей гибкостью: они могут работать и как высокопроизводитель-ные однопользовательские системы, и как многопрограммные ВС, выполняющие множество задач параллельно. Кроме того, архитектура MIMD позволяет наиболее эффективно распорядиться всеми преимуществами современной микропроцессорной технологии.

ВMIMD-системе каждый процессорный элемент (ПЭ) выполняет свою программу независимо от других ПЭ. В то же время ПЭ должны взаимо-действовать друг с другом. Различие в способе такого взаимодействия определяет условное деление MIMD-систем на ВС с общей памятью и системы с распределенной памятью.

Всистемах с общей памятью или сильно связанных (tightly coupled) име-ется общая память данных и команд, доступная всем ПЭ с

помощью общей шины или сети соединений. К этому типу относятся симметричные мульти-процессоры (SMP, Symmetric Multiprocessor) и

системы с неоднородным до-ступом к памяти (NUMA, Non-Uniform Memory Access).

В системах с распределенной памятью или слабо связанных (loosely coupled) многопроцессорных системах вся память распределена между ПЭ, и каждый блок памяти доступен только «своему» процессору. Сеть соединений связывает процессорные элементы друг с другом.

Представителями этой группы служатсистемы с массовым параллелизмом (MPP, Massively Parallel Processing) и кластерные вычислительные системы

Базовой моделью вычислений на MIMD-системе является совокупность независимых процессов, эпизодически обращающихся к совместно используемым данным. Существует множество вариантов этой модели. На одном конце спектра – распределенные вычисления, в рамках которых программа делится на большое число параллельных задач, состоящих из множества подпрограмм. На другом конце – модель потоковых вычислений, где каждая операция в программе может рассматриваться как отдельный процесс. Такая операция ожидает поступления входных данных (операндов), которые должны быть переданы ей другими процессами. После их получения операция выполняется и результирующее значение передается тем процессам, которые в нем нуждаются.

Ознайомтеся з презентацією 03-3 Архітектура БКБД (15 слайдів).pptx

Оптические процессоры позволяют обрабатывать данные параллельно., т.к. разные потоки можно направить по разным оптическим путям. Обычная схема реализации - на входе матрица данных, пиксели которой поделены на субпиксели, каждый из которых светится независимо. Исходные (input) данные вводятся при помощи лазеров или пропусканием света через управляемый транспарант(-ы), далее свет проходит через управляемый транспарант команд, который для каждого потока (пикселя) содержит свою команду. В простейшем случае транспарант - матрица таких же размеров с таким же количеством и конфигурацией субпикселей, как и матрица исходных данных. На выходе расположена матрица детекторов.

Рассмотренный в презентации пример архитектуры является частным случаем реализации архитектуры "оптического символьного замещения", которая заключается в замене исходного (input) паттерна (матрицы заданного размера из светлых и тёмных квадратиков-субпикселей) по определённому набору правил на исходящий (output) паттерн.

Наиболее простой способ технически реализовать замену паттерна - поставить на оптическом пути трафарет (матрицу такого же размера) с заданным положением непрозрачных ячеек. На выходе получим матрицу, в которой субпиксель может быть светлым только при одновременном выполнении двух условий:

1)соответствующий субпиксель исходной матрицы светлый

2)соответствующая ячейка трафарета прозрачная

В остальных случаях субпиксель тёмный.

Существуют и более сложные реализации (на промежуточной пластине светлые пиксели соответствуют местам обнаружения паттерна):

Это может использовать для распознавания образов, матричного умножения, свёртки (приведенный в презентации пример по умножению через свёртку должен производиться над числами в двоичной системе, поэтому требуется предварительная шифровка) и пр. Для реализации таких операции необходимо выполнять дполнительно операции интгерирования (суммирование содержания нескольких ячеек в один момент времени или одной и той же ячейки за промежуток времени) и усиления сигнала с некоторых ячеек.

(209) (210) Оптичні комп'ютери. Аналогова, цифрова обробка інформції

02_Osnovi_analogovoyi_obrobki_opt.pptx

Оптична обробка даних використовується для вирішення задач, що важко вирішуються за допомогою сучасної твердотільної цифрової електроніки

Обробка інформації Дані кодуються в неперервні оптичні хвилі

Використовуються явища оптики (дифракція, …)

Аналоговий оптичний сигнал перетворюють в цифрову форму.

Аналоговий сигнал – неперервний в часі сигнал, що описується якоюсь аналітичною функцією. Якщо його дискретизувати (занести інформацію про нього в певні моменти часу в якусь табличку, тобто, тепер ми знаємо лише сигнал в певні моменти часу, а не в будь-які) і квантувати (тобто створити якусь таблицю відповідностей інтенсивності сигналу в цей момент певному набору чисел), отримаємо цифровий сигнал.

Операції над аналоговими сигналами – миттєві (або надшвидкодійні) – зводяться до модифікації вхідного сигналу безпосередньо. Операції над цифровими сигналами зводяться до багаторазових математичних операцій над числами, до яких ми перейшли після дискретизації та квантування, це повільніше; ми ризикуємо втратити частину інформації, що містилась в нашому аналоговому сигналі (бо тепер знаємо його лише в певні моменти часу з певною точністю квантування), але виграємо в захисті від шумів під час подальшої обробки: оскільки аналогова обробка здійснюється над одним і тим самим сигналом на всіх етапах обробки, будь-яка похибка, шум, викид накопичуються і також оброблюються докупи. При цифровій обробці ми можемо взагалі абстрагуватися від природи початкового сигналу і оброблювати цифри так, як нам це зручно.

Аналоговий оптичний сигнал має певний набір характеристик:

і описується наступним чином:

Фізичні ефекти, які застосовуються:

•Суперпозиція оптичних променів: Промені з різною довжиною хвилі можуть перетинатись

•Поляризація

•Відбиття

•Пропускання

•Поглинання

Для потреб аналогової обробки ці ефекти застосовуються «в лоб». Для цифрової обробки доводиться перейти до бістабільних елементів, оперуючи, наприклад, виключно амплітудою.

Види аналогових перетворень, які легко реалізуються на базових оптичних елементах:

Перетворення Фурье, Перетворення Гільберта, Перетворення Лапласа, Знаходження згортки і кореляції двох функцій.

Всі вони базуються на тому, що лінза виконує Фур'є-перетвір вхідного сигналу в фокальній площині. Якщо в цій площині втулити транспарант, а після них – зворотній перетворювач, виявиться, що результат таких дій - лінійне інтегральне перетворення типу згортки. Раз так, можна реалізувати всі наведені перетворення.